JP2003193139A

JP2003193139A - フランジ付き外輪の製造方法

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Publication number: JP2003193139A
Application number: JP2001401092A
Authority: JP
Inventors: Koji Ueda; 光司植田; Yuji Miyamoto; 祐司宮本
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2001-12-28
Filing date: 2001-12-28
Publication date: 2003-07-09

Abstract

(57)【要約】【課題】自動車用ハブユニット軸受の外輪の切削性を改
善しながら、転動疲労寿命と外輪に一体化されたフラン
ジの疲労強度の両方に優れた軸受を得る。【解決手段】Ｃ：０．５０〜０．９５％、Ｓｉ：０．５
０〜１．５０％、Ｍｎ：０．０５〜０．６０％、Ｓ：
０．００３５％以下、Ｏ：０．００１５％以下である合
金鋼からなる素材を用いる。この素材に対して、黒鉛化
処理、成形工程、切削工程をこの順に行う。黒鉛化処理
は、切削工程時の黒鉛組織の含有率が面積比で０．５〜
３．０％となるように行う。切削工程の後に、外輪軌道
溝に対して高周波焼入れと焼戻しを施すことにより、外
輪軌道溝の表層部分を、硬さＨＲＣ６０以上、残留オー
ステナイト量１０体積％以上、存在する黒鉛の粒子径
１．０μｍ以下にする。

Description

【発明の詳細な説明】【０００１】【発明の属する技術分野】本発明は、自動車用ハブユニ
ット軸受の外輪部材のような、フランジ付き外輪（取付
穴を有するフランジが外輪の外周に一体化されている部
材）を製造する方法に関する。【０００２】【従来の技術】自動車用ハブユニット軸受の外輪部材
は、ホイール取付用のフランジが外輪に一体化されたも
のである。このフランジ（ハブ）には、ホイールを取り
付けるためのボルト穴等が切削加工により形成されてい
る。このようなハブユニット軸受の外輪部材について
は、従来、中炭素鋼（炭素含有率：０．４０〜０．６０
％、例えば「ＪＩＳＳ５３Ｃ」）からなる素材を所定
形状に加工した後、高周波焼入れおよび焼戻しを行って
表面硬さを高くすることにより、静的曲げ強度、ねじり
強度、転がり接触強度を確保することが行われている。【０００３】近年、ハブユニット軸受にも小型軽量化、
高強度化の要求が高まっており、「ＪＩＳＳ５３Ｃ」
からなる素材を用いた場合には、この要求に応えること
ができない。ハブユニット軸受には、また、軸受部の転
動寿命特性を向上しながら、フランジの疲労強度を向上
することが要求されている。しかし、一般に疲労強度の
高い材料は切削性に劣るため、このような材料を、取付
穴等を切削加工する必要がある前記外輪部材に用いる
と、切削加工に時間がかかって生産性が低下するという
問題点がある。【０００４】特開平６−５７３２４号公報には、ハブユ
ニット軸受の外輪部材の製造方法に関し、熱間鍛造後の
焼鈍処理を省略しても穴開け加工の工具寿命が低下しな
いように、使用する高周波焼入れ鋼の組成を特定するこ
とが記載されている。【０００５】【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記公
報に記載の方法では、切削性は良好となるが、軸受部の
転動寿命を向上しながらフランジの疲労強度を向上する
という点で改善の余地がある。本発明は、取付穴を有す
るフランジが外輪の外周に一体化されているフランジ付
き外輪を備えた軸受として、軸受部の転動寿命とフラン
ジの疲労強度の両方に優れた軸受が得られ、しかも前記
取付穴の切削加工を短時間で行うことのできる方法を提
供することを課題とする。【０００６】【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、フランジ付き外輪（取付穴を有するフラ
ンジが外輪の外周に一体化されている部材）の製造方法
において、以下の〜を特徴とする方法を提供する。質量比で、炭素（Ｃ）を０．５０％以上０．９５％以
下、硅素（Ｓｉ）を０．５０％以上１．５０％以下、マ
ンガン（Ｍｎ）を０．０５％以上０．６０％以下の範囲
で含有し、且つ、硫黄（Ｓ）の含有率は０．００３５％
以下、酸素（Ｏ）の含有率は０．００１５％以下である
合金鋼からなる素材を用いる。この素材に対して黒鉛化処理を施した後に、略円筒状
の本体の外周にフランジが一体化された形状に成形する
成形工程を行い、次いで、前記本体の内周面に外輪軌道
溝を前記フランジに取付穴をそれぞれ形成する切削工程
を行う。前記黒鉛化処理を、前記素材の組織が主に黒鉛、セメ
ンタイト、およびフェライトからなり、且つ前記切削工
程時の黒鉛組織の含有率が面積比で０．５％以上３．０
％以下となるように行う。前記切削工程の後に、前記外輪軌道溝に対して高周波
焼入れと焼戻しを施すことにより、外輪軌道溝の表層部
分（表面から所定深さまでの部分：所謂「硬化層」）
を、硬さＨＲＣ６０以上、残留オーステナイト量１０体
積％以上、存在する黒鉛の粒子径（直径）１．０μｍ以
下にする。【０００７】この方法によれば、切削工程時に、素材の
組織が主に黒鉛、セメンタイト、およびフェライトから
なり、且つ黒鉛組織の含有率が面積比で０．５％以上
３．０％以下となっていることで、フランジの疲労強度
を確保しながら良好な切削性が得られる。また、切削加
工後に、外輪軌道溝に対して高周波焼入れと焼戻しを施
して、外輪軌道溝の表層部分を、硬さＨＲＣ（ロックウ
エルＣ硬度）６０以上、残留オーステナイト量１０体積
％以上、存在する黒鉛の粒子径１．０μｍ以下にするこ
とにより、この方法で得られたフランジ付き外輪を備え
た軸受の転動寿命が長くなる。【０００８】黒鉛は鋼の切削性を良好にする作用を有す
るため、本発明の方法においては、切削時には、黒鉛を
鋼中に十分に存在させて良好な切削性を得る。しかし、
熱処理後に外輪軌道溝をなす鋼中に粗大な黒鉛粒子が残
存していると、この黒鉛粒子に応力が集中して、剥離が
生じ易くなるため、熱処理後に黒鉛は残存しないことが
好ましく、残存していた場合でも粒子が小さい方が好ま
しい。そのため、本発明の方法では、熱処理後に黒鉛が
残存していた場合でも粒子径が１．０μｍ以下となるよ
うにした。また、熱処理後に残存する黒鉛の粒子径が
１．０μｍ以下となるように、本発明の方法では、切削
時（成形工程後）の鋼中の黒鉛含有率（面積率）の上限
を３．０％とした。【０００９】なお、成形工程を熱間鍛造等の熱間加工で
行う場合には、熱間加工によって黒鉛の固溶が生じて鋼
中の黒鉛含有量が減少するため、この減少分を考慮し
て、切削工程時の鋼中の黒鉛含有率（面積率）が０．５
％以上３．０％以下となるように、黒鉛化処理を行う必
要がある。すなわち、成形工程前（黒鉛化処理直後）の
鋼中黒鉛含有率は、前記範囲（０．５％以上３．０％以
下）に前記減少分を足した範囲内とする必要がある。【００１０】以下に、素材中の各元素の含有率について
説明する。〔炭素（Ｃ）：０．５０〜０．９５質量％〕Ｃは、素地
をマルテンサイト化して軸受として必要な硬さを得るた
めに、最も重要な元素である。また、素材の段階では、
Ｃのほとんどは黒鉛およびセメンタイトとして存在し、
特に黒鉛が素材の切削性を良好にする作用を有する。Ｃ
の含有率が０．５０％未満であると、この作用が実質的
に得られない。また、Ｃの含有率が０．９５％を超える
と、黒鉛の粗大化やセメンタイト量の増加が生じる。【００１１】また、高周波焼入れ、焼戻し後の硬さＨＲ
Ｃ６０以上を安定的に確保するために、素材の炭素含有
率を０．７０％以上０．９５％以下とすることが好まし
い。〔硅素（Ｓｉ）：０．５０〜１．５０質量％〕Ｓｉは精
鋼時の脱酸剤として必要な元素であり、焼入れ性を向上
させるとともに、鋼中のセメンタイトを不安定にして黒
鉛化を促進させる作用も有する。さらに、焼戻し軟化抵
抗性を高くし、機械的強度および転動疲労寿命を向上さ
せる作用も有する。【００１２】Ｓｉの含有率が０．５０％未満であると、
これらの作用が実質的に得られない。また、Ｓｉの含有
率が１．５０％を超えても前記作用は飽和するため、コ
ストを抑える点から、Ｓｉ含有率の上限値を１．５０％
とした。〔マンガン（Ｍｎ）：０．０５〜０．６０質量％〕Ｍｎ
はＳｉと同様に、精鋼時の脱酸剤として必要な元素であ
る。また、鋼中の硫黄（Ｓ）と結合して硫化物（Ｍｎ
Ｓ）となるため、融点の低いＦｅＳの生成を防止するの
に有効な元素である。また、焼入れ性を向上させるとと
もに、残留オーステナイトの生成を促進する元素でもあ
る。これにより、熱処理後の機械的強度および転動疲労
寿命が向上する。【００１３】Ｍｎの含有率が０．０５％未満であると、
前記作用が実質的に得られない。また、Ｍｎは硫黄
（Ｓ）の１０倍以上含有することが好ましい。Ｍｎの含
有率が０．６０％を超えると、熱処理後の表層部の残留
オーステナイト量が過剰になって、必要な硬さが得られ
なくなる。〔硫黄（Ｓ）：０．００３５質量％以下〕ＳはＭｎと結
合して硫化物（ＭｎＳ）を形成する。ＭｎＳは鋼の切削
性を向上させる作用を有するが、過剰に存在したり粗大
であると疲労破壊の起点となる。本願では、Ｓの含有率
を低く抑えて、黒鉛の存在により素材の切削性を向上さ
せている。〔酸素（Ｏ）：０．００１５質量％以下〕素材中に酸素
が含まれていると、熱処理によってアルミナ系の酸化物
が生成され、これが硬質の介在物として鋼中に存在する
ようになる。この介在物が凝集して粗大化すると、転動
疲労寿命を低下させる要因となるため、酸素の含有率は
可能な限り少なくする必要がある。〔好ましい構成〕本発明においては必須成分ではない
が、素材をなす合金鋼にモリブデン（Ｍｏ）が含まれて
いることが好ましい。Ｍｏは焼き入れ性を良好にする作
用を有する元素であるため、熱処理後の機械的強度を高
くし、転動疲労寿命を長くすることができる。また、焼
戻し軟化抵抗性を良好にする作用も有する。これらの作
用を得る目的で、素材をなす合金鋼に０．１５質量％以
上０．３０質量％以下の範囲で含有することが好まし
い。０．３０質量％を超えて含有すると、黒鉛化および
切削性に悪影響が及ぶ恐れがあるとともに、コストが高
くなる。〔その他〕合金鋼の不可避的不純物元素のうち、ホウ素
（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、ニオ
ブ（Ｎｂ）、およびジルコニウム（Ｚｒ）は、窒素
（Ｎ）と結合して窒化物となり、これが黒鉛を析出させ
る核として作用する。また、希土類元素およびその酸化
物も黒鉛を析出させる核として作用する。【００１４】したがって、黒鉛化処理により、黒鉛が微
細に分散析出された鋼を得るためには、これらの元素を
含有している合金鋼を素材として用いることが好ましい
が、これらの元素が過剰に含まれていると黒鉛が粗大化
する。なお、窒化ホウ素（ＢＮ）は黒鉛の析出核として
特に良好に作用する。また、不可避的不純物元素を極端
に減少させるとコストがかかるばかりでなく、黒鉛の析
出核を減少させることになる。【００１５】そのため、使用する合金鋼の窒素（Ｎ）お
よびホウ素（Ｂ）の含有率は、質量比で０．００１％以
上０．０１５％以下であることが好ましく、アルミニウ
ム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、ニオブ（Ｎｂ）、ジルコ
ニウム（Ｚｒ）、および希土類元素の含有率は、それぞ
れ０．０５０％以下であることが好ましい。【００１６】【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
説明する。図１は、自動車用ハブユニット軸受を示す断
面図である。この自動車用ハブユニット軸受は、外輪部
材１と、内輪２と、玉３と、保持器４とからなる。外輪
部材１は、略円筒状の外輪１１の外周にフランジ１２が
一体化されたものである。フランジ１２には、外輪部材
１にブレーキディスク５とホイール６を取り付けるため
のボルト穴（取付穴）１２ａが形成されている。【００１７】この取付は、フランジ１２のボルト穴１２
ａに圧入されたボルト７を、ブレーキディスク５および
ホイール６の取付穴に入れて、ホイール６側でナット８
により締結することで行われる。この外輪部材（フラン
ジ付き外輪）１を以下の方法で作製した。先ず、表１に
示す各組成の合金鋼からなる素材を用意した。なお、N
o. ２４の素材をなす鋼は「ＪＩＳＳ５３Ｃ」であ
る。各素材に対して黒鉛化処理を行った。黒鉛化処理
は、温度を６８０〜７１０℃の範囲に保持し、処理時間
を変化させて行った。これにより、各素材の黒鉛組織の
含有率を変化させた。【００１８】次に、黒鉛化処理された各素材を、熱間鍛
造法で成形することにより、所定厚さの円筒体の外周に
所定寸法のフランジが一体化された形状の成形品を得
た。得られた各成形品から電子顕微鏡観察用の試験片を
切り出した。各試験片を走査型電子顕微鏡で１０００倍
に拡大し、この拡大像の３０視野について反射電子像を
観察した。この反射電子像から、各成形品をなす鋼の組
織が分かるため、各視野の反射電子像を画像処理して、
各視野毎に黒鉛組織の面積比を測定し、その平均値を算
出した。この値を「切削時の黒鉛面積率」として表１に
示す。【００１９】次に、黒鉛化処理された各素材の切削性を
以下の方法で調べた。「ＪＩＳＢ４０１１」のバイト
切削試験法に基づき、下記の条件で各素材を切削し、工
具寿命を調べた。その結果を表１に相対値で示した。こ
の相対値はNo. ２４の工具寿命を「１」とした比であ
る。＜切削性試験条件＞切削機械：高速旋盤工具：「ＪＩＳＢ４０５３」のＰ１０切り込み速度：２００〜２５０ｍ／分送り量：０．２〜０．３ｍｍ／ｒｅｖ切り込み深さ：１．０〜１．５ｍｍ切削箇所：前記成形品の円筒体内周面への軌道溝形成工具寿命の定義：バイトの逃げ面摩耗量が０．２ｍｍに
達するまでの時間次に、各素材からなる前記成形品（円筒体の外径３４ｍ
ｍ、フランジの外径６０ｍｍ）を用い、下記の条件で切
削加工を行うことにより、成形品の円筒体内周面に２個
の外輪軌道溝（図２の符号１１ａ）を、フランジ（図２
の符号１２）に取付穴（図２の符号１２ａ）をそれぞれ
形成した。＜切削加工条件＞切削機械：高速旋盤工具：「ＪＩＳＢ４０５３」のＰ１０切り込み速度：２００〜２５０ｍ／分送り量：０．２〜０．３ｍｍ／ｒｅｖ取付穴の寸法：直径１５ｍｍ次に、前記切削加工後の各成形品に対して、下記の条件
で高周波焼入れを行った後、焼戻し（焼戻し温度１５０
〜１８０℃）を行った。これにより、図２に示す形状の
外輪部材１を得た。＜高周波焼入れ条件＞周波数：３０ｋＨｚ電流値：１０Ａ冷却水の流速：３５リットル／分電圧値：１０ｋＶこのようにして得られた各外輪部材１の軌道溝１１ａの
表層部分について、ロックウエルＣ硬度（ＨＲＣ）、残
留オーステナイト量（γ_R）、存在する黒鉛の粒子径を
測定した。ロックウエルＣ硬度は、各外輪をなす素材を
試験片の形状とした以外は各外輪と同じ方法で、硬さ試
験用の試験片を作製し、「ＪＩＳＺ２２４５」に準拠
して測定した。【００２０】残留オーステナイト量（γ_R）はＸ線回折
法により測定した。軌道溝１１ａの表層部分に存在する
黒鉛の粒子径は、電子顕微鏡により１０００倍に拡大し
て測定した。これらの測定値も表１に示す。次に、この
ようにして得られた各素材からなる外輪部材１を用い
て、以下の方法で、静止状態での曲げ疲労寿命試験を行
った。【００２１】図３に示すように、外輪部材１をベース９
１に固定し、外輪１１の位置に、球面座を有する部材９
２を配置した。この部材９２を用い、応力振幅：９８０
０Ｎ、周波数：３０Ｈｚの条件で、外輪１１の外周面に
荷重Ｐを付加した。外輪部材１のベース９１への固定
は、ベース９１に雌ねじ９１ａを設け、この雌ねじ９１
ａと、外輪部材１のフランジ１２に設けてあるボルト穴
１２ａと、ボルト９３とを用いて行った。【００２２】外輪部材１のフランジ１２と外輪１１との
境界位置に破断が生じた時点で、試験を止め、その時点
までの応力繰り返し数を調べた。その結果を表１に相対
値で示した。この相対値はNo.２４の値を「１」とした
比である。次に、図１に示す形状の内輪２を以下の方法
で形成した。すなわち、素材としてＳＵＪ２を用い、焼
入れ（焼入れ温度８３０〜８５０℃）、焼戻し（焼戻し
温度１５０〜１８０℃）を行ったものを用意した。次
に、玉３として、ＳＵＪ２からなる素材を用い、焼入れ
（焼入れ温度８３０〜８５０℃）、焼戻し（焼戻し温度
１５０〜１８０℃）を行ったものを用意した。また、保
持器４として、ガラス繊維入りナイロン６６製の保持器
を用意した。【００２３】このようにして得られた外輪部材１と内輪
２と玉３と保持器４を用いて、図１に示すハブユニット
軸受を組み立て、下記の条件で転動疲労寿命を調べる試
験を行った。すなわち、外輪部材１の構成のみが異なる
No. １〜２４の各ハブユニット軸受を下記の条件で回転
し、外輪軌道溝１１ａに剥離が生じるまでの回転時間を
測定した。この回転試験は、No. １〜２４のハブユニッ
ト軸受を各１０個用意して行い、各１０個の測定結果か
らＬ₁₀寿命（累積破損率１０％での寿命）を調べた。【００２４】その結果を表１に相対値で示した。この相
対値はNo. ２４の寿命を「１」とした比である。＜転動疲労寿命試験の条件＞回転輪：外輪面圧：３．０ＧＰａ回転速度：１０００ｒｐｍ温度：６０℃ 潤滑：潤滑油「６８番タービン油」に、異物として、硬
さＨｖ８７０、粒径７４〜１４７μｍの鉄粉を３００ｐ
ｐｍ混入させて使用。【００２５】【表１】【００２６】この表に示すように、外輪部材が本発明の
方法で作製されているNo. １〜１６のハブユニット軸受
は、外輪部材の工具寿命と回転曲げ寿命、および軸受の
転動疲労寿命のいずれの点についても、外輪部材が従来
の方法で作製されたNo. ２４のハブユニット軸受よりも
優れていた。また、外輪部材が本発明の方法で作製され
ていないNo. １７〜２４のハブユニット軸受は、外輪部
材の工具寿命と回転曲げ寿命、および軸受の転動疲労寿
命の少なくともいずれかの点で、外輪部材が本発明の方
法で作製されているNo. １〜１６のハブユニット軸受よ
りも劣っていた。【００２７】したがって、この実施形態のNo. １〜１６
の外輪部材（フランジ付き外輪）１の作製方法によれ
ば、軸受部の転動疲労寿命とフランジ１２の疲労強度の
両方に優れたハブユニット軸受が得られ、しかもボルト
穴（取付穴）１２ａの切削加工を短時間で行うことがで
きる。なお、この実施形態では、自動車用ハブユニット
軸受の外輪部材について記載されているが、本発明の方
法は、フランジ付き外輪（取付穴を有するフランジが外
輪の外周に一体化されている部材）であれば、いずれの
ものであってもその製造方法として適用できる。【００２８】【発明の効果】以上説明したように、本発明の方法によ
れば、取付穴を有するフランジが外輪の外周に一体化さ
れているフランジ付き外輪を備えた軸受として、軸受部
の転動寿命とフランジの疲労強度の両方に優れた軸受が
得られ、しかも前記取付穴の切削加工を短時間で行うこ
とができる。

【図面の簡単な説明】【図１】自動車用ハブユニット軸受の一例を示す断面図
である。【図２】図１のハブユニット軸受の外輪部材を示す断面
図である。【図３】実施形態で行った曲げ疲労寿命試験を説明する
図である。【符号の説明】１外輪部材（フランジ付き外輪）１１外輪１１ａ軌道溝１２フランジ１２ａボルト穴（取付穴）２内輪３玉４保持器５ブレーキディスク６ホイール７ボルト８ナット

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 3J101 AA02 AA32 AA43 AA54 AA62 BA54 BA57 DA03 DA09 EA02 FA31 FA44 GA02 GA03 4K042 AA22 BA04 BA05 DA01 DA02 DA06 DB01

Claims

【特許請求の範囲】【請求項１】取付穴を有するフランジが外輪の外周に
一体化されているフランジ付き外輪の製造方法におい
て、質量比で、炭素（Ｃ）を０．５０％以上０．９５％以
下、硅素（Ｓｉ）を０．５０％以上１．５０％以下、マ
ンガン（Ｍｎ）を０．０５％以上０．６０％以下の範囲
で含有し、且つ、硫黄（Ｓ）の含有率は０．００３５％
以下、酸素（Ｏ）の含有率は０．００１５％以下である
合金鋼からなる素材を用い、この素材に対して黒鉛化処理を施した後に、略円筒状の
本体の外周にフランジが一体化された形状に成形する成
形工程を行い、次いで、前記本体の内周面に外輪軌道溝
を前記フランジに取付穴をそれぞれ形成する切削工程を
行い、前記黒鉛化処理を、前記素材の組織が主に黒鉛、セメン
タイト、およびフェライトからなり、且つ前記切削工程
時の黒鉛組織の含有率が面積比で０．５％以上３．０％
以下となるように行い、前記切削工程の後に、前記外輪軌道溝に対して高周波焼
入れと焼戻しを施すことにより、外輪軌道溝の表層部分
を、硬さＨＲＣ６０以上、残留オーステナイト量１０体
積％以上、存在する黒鉛の粒子径１．０μｍ以下にする
ことを特徴とするフランジ付き外輪の製造方法。